如果你想要得到显著的掺杂剖面结构及低阻值的p型GaN，那么就要考虑把你的载体气体由氢气置换成氩气。

　　作者：Vladimir Dmitriev, Alexander Usikov

　　单位：Technologies and Devices International公司

　　虽然GaN LEDs的发展相当成功，但是使用有机金属化学气相沉积(MOCVD)制程却让它们的p型掺杂区域无法达到理想的特性。对于一个像是能够达到固态照明目标的真实亮度发光体所需要做的乃是在外延层(epilayer)堆积结构中具有低电阻及不连续掺杂剖面结构的高掺杂浓度的p型区域，但现今制程会产生阻碍电流分散(current spreading)的高阻抗材料，当发生较差的奥姆接触(ohmic contacts)时会增加操作电压并阻碍高驱动电流。

　　这件事是起源于使用标准掺杂物-镁进行有机金属气相沉积(MOCVD)来长成固有特性的p型GaN和AlGaN，而这些氮化物(nitrides)具有高电阻，部份原因是镀膜成长完毕后置热活化所造成的。然而，即使如此处理过之后的p型GaN仍有0.1 Ω-cm或更高的阻值存在，由于需要更高的操作电压而限制了最高亮度的LEDs的发光效率。

　　这些高电阻的成因可能源自表面的氢气造成钝化结果所致(氢气为标准MOCVD载体气体)。成膜后置热活化会破坏镁–氢错合物并促进导电度，纵使掺杂太多的镁仍会造成材料质量的劣化。

　　氮化物(nitrides)以有机金属化学气相沉积(MOCVD)方法掺杂镁也会受到“记忆效应(memory effect)”的影响，这些掺杂物会停留在关闭线型真空管后的镀膜腔体内，然后在后续不该有镁成份的成膜过程中被吸收。

　　针对上述的问题，我们已经发展出不使用纯氢气的薄膜沉积制程。本研究工作(由美国能源部的固态照明计划赞助)所使用的氢化物气相外延(HVPE)制程技术是以氨气(NH3)及氯化氢(HCl)当做反应气体并以氩气做为载体气体，能达到更高的沉积速率以及更低的错位密度(dislocation densities)。

　　以氩气做为载体气体的有机金属气相沉积(MOCVD)长晶并不会更有效果, 因为第III族蒸镀源需要更高比例浓度的NH3，这会导致更多的氢气跑到沉积层中。

　　我们用专利开发的多基板型(multiwafer)HVPE反应器来沉积 p-型GaN层在(0001) c-晶面的蓝宝石(sapphire)，而沉积条件上设定在典型的速率1 μm/min及1050 ºC，并使用高纯度镓材料作为III族的蒸镀源，并以镁做为掺杂物。

　　根据二次离子质谱仪(secondary ion mass spectrometry;SIMS)量测结果，我们制作出3–15 μm厚度且具有2 × 1016 cm–3 – 2 × 1020 cm–3镁原子浓度的GaN层，所有外延层(epilayers)具有平滑的表面，而X-ray绕射量测结果显示高掺杂浓度并不会影响晶体的的质量。在样品中不需要靠活化来产生p型的导电度。以汞探针量测的电容-电压 (C-V)实验结果可得知在镁原子浓度为1 × 1017 cm–3下的p-型导电度，C-V测试结果也显示出受体净浓度 (受体数目扣除施体数目) 高达3 × 1019 cm–3，这样的掺杂浓度正好适于形成不错的奥姆接触(ohmic contact)。

　　载体浓度范围在4 × 1017 – 1.5 × 1018 cm–3的沉积层的电性量测实验结果显示电阻率为0.02–1.00 Ω-cm，而电洞移动率至少能达到像MOCVD-沉积出的薄膜电性结果一样好，而这样的结果表示HVPE沉积而成的LEDs应该具有相当不错的电流分散(current-spreading)特性。二次质谱仪(SIMS)量测结果也显示出我们的材料不易受到记忆效应(memory effect)影响(图一)。

　　比氢气更高浓度的镁下(图二)造成高导电度与高受体净浓度的成因，根据我们测量两组(1–3) × 1019 cm–3镁原子浓度掺杂的样品结果，对于高掺杂来说将氢气浓度降到最低乃是关键。4 × 1017 cm–3氢气浓度生成的样品具有1.2 × 1019 cm–3的受体净浓度，而1 × 1018 cm–3氢气浓度生成的薄膜的净浓度只有1.3 × 1018 cm–3。氢气浓度变化造成某一个样品中的镁几乎整个被活化而其它的部份则只有10%被活化。

　　我们已经验证了我们下发光光式HVPE薄膜沉积方法的多样性。有机金属化学气相沉积(MOCVD)无法制作的“下发光(upside-down)” LEDs亦可以做在蓝宝石为基板的p型GaN模板上，这些模板结构中的InGaN层含有15–30 mole %的InN成份，其发光波长介于450–515 nm。

　　图一：刻意将镁原子掺杂在多层结构中的第二、第三及第五层的二次离子质谱仪量测结果(SIMS)可看出

　　不连续的掺杂结构，而且少许的镁原子被不经意的掺杂到了第四层，样品表面的结果如图所示

　　图二：根据二次离子质谱仪(SIMS)结果，镁的掺杂浓度高过氢的背景浓度，其中虚线代表等量的镁及氢原子浓度

　　作者

　　Vladimir Dmitriev是TDI的董事长及CEO，他已于2008年1月6日逝世。

　　Alexander Usikov为TDI的研发主管及资深科学家。他目前的研究着重在III-N半导体物理及新颖技术。作者们十分感谢陆军研究院(Army Research Laboratory)及巴洛阿图研究中心(Palo Alto Research Center)在LED制程上的协助，同时感谢美国能源部、商务部及国防部的资金赞助，以及TDI工程师和科学家团队的研究与付出，和Oleg Kovalenkov、Vitaly Soukhoveev和Vladimir Ivantsov在本研究上的贡献。